(57)【要約】【課題】燃料電池システム運転時の負荷変動に伴う酸化剤極触媒層の劣化の抑制に好適な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に酸化剤ガスおよび燃料ガスをそれぞれ給排する酸化剤ガス供給系統５および燃料ガス供給系統２と、を備え、前記燃料電池スタック１の運転状態を検出する検出手段１６と、前記酸化剤ガス供給系統５に設けられて供給する酸化剤ガスの温度を低下させる低温酸化剤ガス供給手段２３と、前記検出手段１６より検出した燃料電池スタック１の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合には、前記低温酸化剤ガス供給手段２３により温度を低下させた酸化剤ガスを燃料電池スタック１の酸化剤極に供給して酸化剤極の触媒層温度を通常運転時より低下させる制御手段６と、を備える。【選択図】図１
2007122897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層およびガス拡散電極からなる燃料極および酸化剤極間に電解質膜を保持したセルを積層して構成した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに酸化剤ガスおよび燃料ガスをそれぞれ給排する酸化剤ガス供給系統および燃料ガス供給系統と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの運転状態を検出する検出手段と、
前記酸化剤ガス供給系統に設けられて供給する酸化剤ガスの温度を低下させる低温酸化剤ガス供給手段と、
前記検出手段より検出した燃料電池スタックの運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合には、前記低温酸化剤ガス供給手段により温度を低下させた酸化剤ガスを燃料電池スタックの酸化剤極に供給して酸化剤極の触媒層温度を通常運転時より低下させる制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、検出手段により検出した燃料電池スタックの運転状態が、高負荷状態を所定時間以上継続した後低負荷状態に移行する場合には、酸化剤極触媒層温度を通常運転中よりも低下させることを特徴とする請求項１に記載した燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出手段は燃料電池スタックの単位セル当りの電圧を検出し、前記制御手段は前記単位セル電圧に基づいて燃料電池スタックの運転状態を判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度を低下させた酸化剤ガスの供給は低負荷運転への移行の所定時間経過後に停止され、その後は通常運転時に供給される温度の酸化剤ガスに戻されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
外部負荷に対する要求負荷検知手段を備え、
前記外部負荷に対する要求負荷が高負荷から低負荷へ移行すると予測される場合には、燃料電池スタックの少なくとも一方の極に対する供給ガスの温度を、通常運転時よりも低温として供給することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記低温酸化剤ガスは、低負荷運転時に供給する通常温度の酸化剤ガス流量に比較して大きい流量であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガス供給系統は、通常運転時に酸化剤ガスを供給する系統と低温用酸化剤ガスを供給する系統の二種類のガス温度に切換え可能であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記低温用酸化剤ガスを供給する系統は、予め低温の酸化剤ガスを圧力状態で蓄積する蓄積手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に高負荷から低負荷への過渡運転時における貴金属触媒の劣化防止に好適な燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から低負荷運転時の高電圧化による貴金属触媒の凝集劣化（酸性電解液中の高温・高電位雰囲気において貴金属粒子が凝集し、触媒活性の劣化を生じる）を防止するために、少なくとも一方の極に高負荷時よりも低温のガスを供給することで、低負荷時のセル電圧を下げて運転する燃料電池システムの運転方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６２−１５０６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来例では、低負荷時のセル電圧を下げることで触媒層を構成する貴金属触媒の凝集劣化を抑制することは可能であるが、一定負荷運転の少ない、例えば、車両用途のように加減速運転に伴う電圧変動が頻繁に存在するような運転モードにおいては、高負荷から低負荷への過渡運転時における貴金属触媒の溶解（イオン化）や析出が繰返されることによる劣化が問題となり、上記従来技術による凝集劣化対策のみでは十分な効果が得られない。
【０００４】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池システム運転時の負荷変動に伴う酸化剤極触媒層の劣化の抑制に好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、触媒層およびガス拡散電極からなる燃料極および酸化剤極間に電解質膜を保持したセルを積層して構成した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに酸化剤ガスおよび燃料ガスをそれぞれ給排する酸化剤ガス供給系統および燃料ガス供給系統と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの運転状態を検出する検出手段と、前記酸化剤ガス供給系統に設けられて供給する酸化剤ガスの温度を低下させる低温酸化剤ガス供給手段と、前記検出手段より検出した燃料電池スタックの運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合には、前記低温酸化剤ガス供給手段により温度を低下させた酸化剤ガスを燃料電池スタックの酸化剤極に供給して酸化剤極の触媒層温度を通常運転時より低下させる制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
したがって、本発明では、検出手段より検出した燃料電池スタックの運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合には、低温酸化剤ガス供給手段により温度を低下させた酸化剤ガスを燃料電池スタックの酸化剤極に供給して酸化剤極の触媒層温度を通常運転時より低下させる制御手段を備えるため、酸化剤極の触媒の酸化、とりわけ触媒のイオン化速度を低下させ、低温としない場合に比較して電位変動による酸化剤極触媒層の劣化を抑制することが可能となる。このため、燃料電池スタック運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１〜図７は、本発明を適用した燃料電池システムの第１実施形態を示し、図１は第１実施例の燃料電池システムのシステム構成図、図２は酸化剤極の電位の推定手段の構成図、図３はコントローラにより実行される制御フローチャート、図４は燃料電池システムの作動を示すタイムチャート、図５は負荷変動による電気化学反応面積低下と運転温度との関係を示す特性図、図６は第２実施例の燃料電池システムの構成図、図７は第３実施例の燃料電池システムの構成図、図８および図９は第４実施例の燃料電池システムのコントローラによる制御フローチャートおよび燃料電池システムの作動を示すタイムチャートである。
【０００９】
図１において、燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化剤ガスとしての空気の供給を受けて電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給し、燃料電池スタック１よりの排水素ガスを還流させて再び燃料電池スタック１に供給する循環経路３を備えた燃料ガス供給手段２と、前記循環経路３の水素ガスを排出するパージ手段４と、燃料電池スタック１へ酸化剤ガスとしての空気を供給する空気（酸化剤ガス）供給手段５と、これらを制御するコントローラ６とを備える。なお、７は燃料電池スタックの出力端子に接続された外部負荷であり、負荷コントローラ８によりその作動状態が制御される。
【００１０】
前記燃料電池スタック１は、図示しないが、電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極の触媒層とガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、前記燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路を備えたセパレータによって前記膜電極接合体を狭持してなるセルを構成し、このセルを複数積層して構成している。
【００１１】
前記燃料ガス供給手段２は、水素供給源としての水素タンク１０から供給される燃料ガスとしての水素ガスを流量制御弁１１、昇温・加湿手段１２を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からの排水素ガスを循環経路３に設けた循環ブロア１３により還流させ、水素タンク１０から供給される水素ガスと混合して燃料電池スタック１に循環させて供給する。
【００１２】
前記水素流量制御弁１１は、コントローラ６よりの指令に応じて燃料電池スタック１に供給する水素ガスの流量を調整し、燃料電池スタック１の運転圧力を調整する。運転圧力は可変圧であり、燃料電池スタック１から取出す発電出力が高い高負荷時には運転圧力を高め、発電出力が低い低負荷時には運転圧力を低めるよう作動させる。水素流量制御弁１１の制御は、図示しない水素入口圧力センサで測定され、図示しない水素入口温度センサによる燃料電池スタック１入口での水素の温度と共にコントローラ６にフィードバックされる。前記発電出力は、燃料電池スタック１の電力取出し端子に設けられている電流センサ１４および電圧センサ１５により検出されコントローラ６に入力される。
【００１３】
前記パージ手段４（以下、水素パージ弁４とする）は、燃料電池スタック１から排出される排水素ガスを通常は還流経路３および循環ブロア１３により還流させ、燃料電池スタック１内に水溢れ（以下フラッディング）等が発生した場合や燃料電池スタック１の運転圧を低下させる場合、あるいは、水素タンク１０から供給される水素を、図示しない下流に配置した排水素燃焼器で燃焼させてシステムを暖機する場合等には、コントローラ６により水素パージ弁４を動作させて前記循環経路３および燃料電池スタック１に存在する水素ガスを排水素燃焼器へ排出する。
【００１４】
前記空気供給手段５は、コンプレッサ２０により酸化ガスとなる空気を、流量制御手段２１、酸化剤ガス昇温・加湿手段２２、２３および切換弁２４を経由して、燃料電池スタック１へ供給する。コンプレッサ２０はコントローラ６によりの目標回転数に応じて駆動され、その供給流量は、図示しない空気流量センサで計量され、その計量値はコントローラ６に入力される。燃料電池スタック１から排空気通路に排出された空気（以下、排空気）は、空気圧力制御弁２５で通路が絞られ、その上流側の空気圧力が制御される。制御の目標値はそのときの水素ガスの圧力に応じた目標値としている。空気の圧力は燃料電池スタック１入口に配置した図示しない空気入口圧力センサで測定され、コントローラ６に入力される。空気圧力制御弁２５を通過した空気は、図示しない下流の排水素燃焼器を経由して大気中に放出される。
【００１５】
前記酸化剤ガス昇温・加湿手段２２、２３は、少なくとも二組が装備され、一方の昇温・加湿手段２２は、コンプレッサ２０より供給される空気を、燃料電池スタック１の通常時に使用する酸化剤極の触媒層温度に昇温し且つ加湿状態の酸化剤ガスとする通常用昇温・加湿装置である。他方の昇温・加湿手段２３は、コンプレッサ２０より供給される空気を、前記一方の昇温・加湿手段２２より低い温度に昇温し且つ加湿状態の酸化剤ガスとする低温用昇温・加湿装置である。燃料電池スタック１には、下流に配置した切換弁２４をコントローラ６により切換制御することにより、通常は前記一方の昇温・加湿手段２２を経由させた酸化剤ガスを供給する。そして、燃料電池スタック１が高負荷状態（Reference Hydrogen Electrode（可逆水素電極）に対する酸化剤極電位（以下では、「ｖｓ．ＲＨＥ」と略称する）が、例えば、０．６５［Ｖ］以下の状態）から低負荷状態（酸化剤極電位（ｖｓ．ＲＨＥ）が、例えば、０．９［Ｖ］以上の状態）になるような負荷変動（酸化剤極の電位変動）が発生した際に、前記切換弁２４を他方、若しくは、中間状態に切換えて、前記他方の低温用昇温・加湿手段２３を経由させた酸化剤ガスのみ、若しくは、両者の昇温・加湿手段２２、２３による酸化剤ガスを混合した酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給する構成としている。
【００１６】
前記燃料電池スタック１の運転状態を検出するために、その出力電流および出力電圧（スタック電圧）は、電流センサ１４および電圧センサ１５により測定され、コントローラ６に入力される。前記出力電圧の測定において、酸化剤極触媒層の劣化の判定は、主に酸化剤極の電位変動による影響が大きいため、図２に示すように、例えば、１０セルのセルユニット毎の電圧（セルユニット電圧）をセル電圧センサ１６で測定し、各単位セル電圧を判定する。具体的には、図示のように、各単位セル電圧を、より多くのセルユニット電圧に基づいて判定することが望ましい。
【００１７】
前記コントローラ６は、電流センサ１４および電圧センサ１５より得られた発電出力から燃料電池スタック１の負荷状態に応じて燃料電池スタック１の運転圧力を調整する。燃料電池スタック１の運転圧力は、燃料ガス供給手段２においては、水素流量制御弁１１による制御流量および循環ブロア１３の回転数を調整することで実行され、その制御結果は水素入口圧力センサおよび水素入口温度センサによりコントローラ６にフィードバックされる。
【００１８】
また、空気供給手段５においては、酸化剤ガス流量制御手段２１および空気圧力制御弁２５の制御流量および制御圧力を調整することで実行され、その制御結果は空気流量センサおよび空気入口圧力センサによりコントローラ６にフィードバックされる。また、コントローラ６は電流センサ１４および電圧センサ１５より得られた発電出力の変化状態を監視し、パージ作動が必要と判定した場合には、水素パージ弁４を作動させて循環経路３および燃料電池スタック１に存在する水素ガスを排水素燃焼器へ排出する。
【００１９】
また、コントローラ６はセル電圧センサ１６によるセル電圧を監視し、セル電圧により推定される酸化剤極電位が、例えば、０．６５［Ｖ］以下となる高負荷状態から、例えば、０．９［Ｖ］以上の低負荷状態に負荷変動したと判定した場合には、切換弁２４を切換えて、低温用昇温・加湿装置２３を経由させた酸化剤ガスのみ、若しくは、低温用昇温・加湿装置２３と通常用昇温・加湿装置２２の両者の昇温・加湿手段による酸化剤ガスを混合した酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給させる。
【００２０】
図３のフローチャートは前記切換弁２４を制御するルーチンを示しており、コントローラ６において一定周期毎に実行される。以下、これについて説明する。
【００２１】
先ず、ステップＳ１において、セル電圧センサ１６によりコントローラ６に入力されている単位セル電圧状態を読込む。
【００２２】
次いで、ステップＳ２において、読込まれた単位セル電圧状態が、例えば、０．６［Ｖ］（ｖｓ．ＲＨＥ）未満の高負荷領域から０．６〜０．８［Ｖ］（ｖｓ．ＲＨＥ）の範囲の中負荷領域に変化したか否かが判定され、単セル電圧が高負荷領域から中負荷領域に変化した場合にはステップＳ３へ進み、タイマーをセットして今回の処理を終了する。単セル電圧が前記状態以外の高負荷領域、中負荷領域、若しくは、低負荷領域を継続している場合、中負荷領域から高負荷領域または低負荷領域に変化した場合、低負荷領域から中負荷領域または高負荷領域に変化した場合には、ステップＳ４へ進む。
【００２３】
ステップＳ４では、読込まれた単位セル電圧状態が、中負荷領域から低負荷領域に変化したか否かが判定され、中負荷領域から低負荷領域に変化した場合には、ステップＳ５へ進み、それ以外の高負荷領域、中負荷領域、若しくは、低負荷領域を継続している場合、中負荷領域から高負荷領域に変化した場合、低負荷領域から中負荷領域または高負荷領域に変化した場合には、今回の処理を終了する。
【００２４】
ステップＳ５では、前記タイマー値による経過時間が、０時間を超え且つ所定時間未満であるか否かが判定され、タイマー値が０時間若しくは所定時間を越えている場合にはステップＳ７へ進み、タイマー値をリセットして今回の処理を終了する。タイマー値が０時間を超え且つ所定時間未満である場合には、ステップＳ６へ進む。前記タイマー値が０の場合とはタイマーセットがなされていない状態、即ち、単セル電圧が高負荷領域を経ることなく中負荷領域から低負荷領域に変化したことを意味する。また、タイマー値が所定時間を超えている場合とは、高負荷領域から中負荷領域に変化した時点でタイマーがセットされたが、それから中負荷領域から低負荷領域に変化した時点までの時間が設定時間より長い場合、即ち、中負荷領域での経過時間が設定時間より長い場合である。
【００２５】
ステップＳ６では、切換弁２４を切換え、低温用酸化剤昇温・加湿装置２３を経由した酸化剤ガスのみ、若しくは、通常用酸化剤ガス昇温・加湿装置２２を経由した酸化剤ガスに低温用酸化剤ガス昇温・加湿装置２３を経由した酸化剤ガスとを混合して、燃料電池スタック１に供給開始し、ステップＳ７を経由して、タイマー値をリセットして今回の処理を終了する。前記低温用酸化剤ガス昇温・加湿装置２３を経由した酸化剤ガスの燃料電池スタック１への供給は予め設定した供給時間だけ供給した後、切換弁２４を元に戻して終了する。
【００２６】
図４は、負荷変化が生じた場合において、コントローラ６により図３のフローチャートに基づく燃料電池システム制御時における、スタック温度、燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、酸化剤極触媒層温度および酸化剤極電位（ｖｓ．ＲＨＥ）の各変化を示すタイムチャートである。
【００２７】
図４において、酸化剤極電位（ｖｓ．ＲＨＥ）が、例えば、０．６［Ｖ］（線Ａ参照）未満となる場合を燃料電池スタック１の高負荷状態とし、例えば、０．８［Ｖ］（線Ｂ参照）を超える場合を低負荷状態としている。この酸化剤極電位（ｖｓ．ＲＨＥ）は、セル電圧から推定したものであり、その設定値は必要に応じて変更することができる。
【００２８】
図４に示す燃料電池スタック１の負荷状態は、外部負荷の運転状況に応じて、時点ｔ１、ｔ６、ｔ８において低負荷から中負荷に変化し、時点ｔ２、ｔ９で中負荷から高負荷に変化し、時点ｔ３、ｔ１０で高負荷から中負荷に変化し、時点ｔ４、ｔ７、ｔ１１で中負荷から低負荷に変化されている。燃料電池スタックは、時点ｔ２−ｔ３、ｔ９−ｔ１０間において高負荷状態、時点ｔ１−ｔ２、ｔ３−ｔ４、ｔ６−ｔ７、ｔ８−ｔ９、ｔ１０−ｔ１１の夫々の間で中負荷状態、で運転されている。
【００２９】
上記負荷状態に対応して、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量は、コントローラ６により燃料ガス供給手段２の水素ガス流量制御弁１１および空気供給手段５の流量制御手段２１・空気圧力制御弁２５を制御することにより増減制御される。また、酸化剤極触媒層の温度は、燃料ガス流量および酸化剤ガス流量、即ち負荷状態に応じて反応熱（発熱量）が変化するため、負荷状態に応じて破線に示すように僅かに変化することが示されている。
【００３０】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、時点ｔ３、ｔ１０において、コントローラ６で実行される制御フローチャートのステップＳ２からステップＳ３のタイマーがセットされ、時点ｔ４、ｔ１１において、ステップＳ４からステップＳ５のタイマー値（時点ｔ３−ｔ４、ｔ１０−ｔ１１間の時間）が確認される。高負荷状態から中負荷状態を短時間に経由して低負荷状態に移行している負荷変動状態であり、この場合には設定値以下と判断して、ステップＳ６により切換弁２４を一定時間だけ切換えて低温酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給される。低温酸化剤ガスが供給されることにより酸化剤極触媒温度は実線で図示するように一時的に低下される。
【００３１】
燃料として水素、酸化剤として酸素又は空気を用いる燃料電池システムでは、燃料電池運転時の負荷変動に伴い単位セル電圧が変動し、低負荷時には０．９［Ｖ］を超えるような電圧となる一方、高負荷時には０．６［Ｖ］付近の電圧にて運転されることが多い。
【００３２】
このような負荷変動により電位変動する電極、主に酸化剤極触媒では、その溶解（イオン化）・析出が繰返されることで電気化学反応面積が次第に減少し、燃料電池運転時の活性化過電圧が増大する。その結果、燃料電池スタック１の発電性能が低下するという問題がある。
【００３３】
このような運転時において、電気化学反応面積の減少に対する運転温度感度を調査した結果、図５に示す特性があることが分かった。図５は負荷変動による酸化剤極触媒層の電気化学反応面積の低下率と運転温度との関係を示すものであり、負荷変動による酸化剤極触媒層の電気化学反応面積の低下率は、運転温度の低下に連れて減少し、運転温度の上昇に応じて増加している。即ち、運転温度を低下させることにより電気化学反応面積の減少を抑制できることが確認された。
【００３４】
また、高負荷時のように触媒が還元される状態から、低負荷時のように触媒が酸化され、触媒が溶解（イオン化）しやすい状態への移行時および移行後数十秒間において、該溶解電流を含むと考えられる過渡電流が大きいことを確認している。
【００３５】
前記酸化剤極触媒層では、低温の酸化剤ガスが供給されることで、上記の理由から反応速度が低下され、触媒の酸化とりわけ触媒の溶解（イオン化）の速度が低下され、過渡触媒酸化電流が減少し、負荷変動による酸化剤極触媒層の電気化学反応面積の低下量が低減される。結果的に負荷変動が繰返されることによる酸化剤極触媒層の劣化を抑制することができる。
【００３６】
なお、上記第１実施例の燃料電池システムでは、低温用酸化剤ガス昇温・加湿手段２３を経由させた低温用酸化剤ガスを高負荷状態から低負荷状態への移行時および移行後の所定時間の間、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給するものについて説明したが、低温用酸化剤ガスの供給を迅速化するために、第２実施例や第３実施例のように、燃料電池システムを構成することもできる。
【００３７】
図６に示す第２実施例の燃料電池システムにおいては、酸化剤ガス供給ブロア２０の下流と切換弁２４とを配管長の短いガス配管２６により酸化剤ガス昇温・加湿装置２２をバイパスさせて接続する構成としている。低温用酸化剤ガスとして、運転温度よりも十分に低温の酸化剤ガス、例えば、水素／空気系の燃料電池においては外気を昇温させることなく直接燃料電池スタック１へ導入する構成としている。
【００３８】
このように、ガス配管２６の長さを可能な限り短くすることにより、低温の酸化剤ガスの燃料電池スタック１の酸化剤極への供給を迅速に行え、燃料電池スタック１の負荷変動に対する低温ガス供給の追従性を向上させることが可能となり、また、構成も簡単化できる。
【００３９】
図７に示す第３実施例の燃料電池システムにおいては、充分な容積を備えた蓄積手段、例えば、アキュームレータ等により高圧状態で蓄積できる蓄積手段２７を酸化剤ガス供給ブロア２０と切換弁２４との間に配置する構成としている。
【００４０】
そして、通常運転時にブロア２０から供給される酸化剤ガスの一部を予め蓄積手段２７に蓄積しておき、高負荷状態から低負荷状態への移行時および移行後の所定時間の間に切換弁２４を作動させて、蓄積手段２７に蓄積している低温用酸化剤ガスを迅速且つ大量に、即ち、大流量で燃料電池スタック１の酸化剤極に供給することを可能としている。
【００４１】
図８および図９に示す第４実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１の負荷状態が高負荷領域から低負荷領域に移行した際に燃料電池スタック１に供給する低温用酸化剤ガスの供給時間を調整するようにしている。
【００４２】
図１１に示す制御フローチャートは、コントローラ６において図３における制御ルーチンのステップＳ６で低温用酸化剤ガスの供給開始が起動された後に、一定周期毎に実行される低温用酸化剤ガスの供給時間を制御するフローチャートである。図９は図８の制御によるタイムチャートである。以下では、図８に示すフローチャートを図９に示すタイムチャートと共に説明する。
【００４３】
先ず、ステップＳ２０により切換弁２４の切換がなされて（図１２のｔ４、ｔ１１、ｔ１３の各時点）、低温用酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給される。
【００４４】
次いで、ステップＳ２１において、低温用酸化剤ガスの供給開始からの経過時間が所定時間、例えば、１０ｓｅｃ経過したか否かが判定され、経過している場合（図１２のｔ５、ｔ１４の各時点）にはステップＳ２２へ進み、経過時間が１０ｓｅｃに満たない場合にはステップＳ２３へ進む。
【００４５】
ステップＳ２３では、単位セル電圧が低負荷領域（０．８［Ｖ］以上）から外れているか否かが判定され、低負荷領域から外れている場合（図１２のｔ１２の時点）にはステップＳ２２へ進み、低負荷領域にある場合には今回の処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ２２では、切換弁２４を通常状態に切換え、低温用酸化剤ガスの供給を停止させ、通常用酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給するようにして処理を終了させる。
【００４７】
低負荷領域への電位変動後、還元電流と同様に酸化電流も定常に達するまでに多くは数秒から数十秒を要する。したがって、燃料電池高負荷運転から低負荷運転へ移行する場合においては、低負荷領域への移行後、例えば、単位セル電圧が０．９Ｖ以上に移行後の所定時間（例えば１０秒間）は酸化剤極触媒層温度を通常よりも低下させる。この所定時間は、低負荷時の酸化剤極触媒層の低温化制御の長期化による発電効率の低下を招かないよう、運転制御、セル特性に合わせてなるべく短時間に設定されることが望ましい。なお、低負荷領域への移行後所定時間に満たない時間で負荷が増加（電力の取出しが再開）され、単位セル電圧が０．９Ｖ以下となった場合には、即座に通常運転温度へと戻される。
【００４８】
このように、低負荷運転への移行後の所定時間後に触媒層低温化制御を終了することにより、引続き低負荷運転が続けられることによる燃料電池スタック１の発電性能低下を抑制することができる。低温にされた酸化剤触媒層は低負荷運転に移行後、所定時間経過後に通常運転の温度に戻されることにより、低負荷状態が継続されるほど、酸化剤極触媒の酸化電流は小さくなるため、この酸化電流が大きい時間においてのみその電流値を低下させ、かつ引続き低負荷運転が続けられることによる燃料電池スタック１の発電性能低下を抑制できる。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制し、かつ低負荷運転時の性能低下を防止することが可能となる。
【００４９】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００５０】
（ア）触媒層およびガス拡散電極からなる燃料極および酸化剤極間に電解質膜を保持したセルを積層して構成した燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に酸化剤ガスおよび燃料ガスをそれぞれ給排する酸化剤ガス供給系統５および燃料ガス供給系統２と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック１の運転状態を検出する検出手段１６と、前記酸化剤ガス供給系統５に設けられて供給する酸化剤ガスの温度を低下させる低温酸化剤ガス供給手段２３と、前記検出手段１６より検出した燃料電池スタック１の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合には、前記低温酸化剤ガス供給手段２３により温度を低下させた酸化剤ガスを燃料電池スタック１の酸化剤極に供給して酸化剤極の触媒層温度を通常運転時より低下させる制御手段６と、を備える。したがって、酸化剤極の触媒の酸化、とりわけ触媒のイオン化速度を低下させ、低温としない場合に比較して電位変動による酸化剤極触媒層の劣化を抑制することが可能となる。このため、燃料電池スタック１運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制することが可能となる。
【００５１】
（イ）図２に示すように、燃料電池スタック１の単位セル当りの電圧を検出し、前記制御手段６は前記単位セル電圧に基づいて燃料電池スタック１の運転状態を判定するようにしているため、燃料電池スタック１の負荷変動による酸化剤極触媒層劣化は、主に酸化剤極の電位変動による所が大きいため、単位セル当りの電圧により負荷変動が比較的容易に推定可能となる。これにより酸化剤極の低温化制御の実行判定を容易とできる。
【００５２】
（ウ）図８に示すように、温度を低下させた酸化剤ガスの供給は低負荷運転への移行の所定時間経過後に停止され、その後は通常運転時に供給される温度の酸化剤ガスに戻されるため、低負荷状態が継続されるほど、酸化剤極触媒の酸化電流は小さくなるため、低負荷運転移行後所定時間後に触媒層低温化制御を終了することにより、該酸化電流が大きい時間においてのみ該電流値を低下させ、かつ引続き低負荷運転が続けられることによる燃料電池スタック１の発電性能低下を抑制する。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制し、かつ低負荷運転時の性能低下を防止することが可能となる。
【００５３】
（エ）図１または図６に示すように、酸化剤ガス供給系統５は、通常運転時に酸化剤ガスを供給する系統、即ち、通常用酸化剤ガス昇温・加湿装置２２と低温用酸化剤ガスを供給する系統、即ち、低温用酸化剤ガス昇温・加湿装置２３若しくはバイパスしたガス配管２６の二種類のガス温度に切換え可能であることにより、通常運転時の供給ガス温度よりも低い温度に設定された供給ガスラインへの切換が可能となることにより、燃料電池スタック１の負荷変動に対する低温ガス供給の追従性を向上させることが可能となる。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制する効果が向上する。
【００５４】
（オ）図７に示すように、低温用酸化剤ガスを供給する系統は、予め低温の酸化剤ガスを圧力状態で蓄積する蓄積手段２７を備えることにより、低温のガスがガス蓄積手段２７に蓄積されることにより、燃料電池スタック１の負荷変動に対する低温ガス供給の追従性を向上させることが可能となる。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制する効果が向上する。
【００５５】
（第２実施形態）
図１０〜図１１は、本発明を適用した燃料電池システムの第２実施形態を示し、図１０はコントローラによる制御フローチャート、図１１は燃料電池システムの作動を示すタイムチャートである。本実施形態においては、還元状態が所定時間以上継続された後における酸化剤極触媒層の溶解（イオン化）を抑制する構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、そのシステム構成は第１実施形態と同じであり、コントローラ６による制御フローチャートが、第１実施形態に対して下記のように変更されている。
【００５７】
図８に示す第２実施形態の燃料電池システムの制御フローチャートにおいては、図３に示す第１実施形態における制御フローチャートに対して、高負荷領域の時間を計測するステップＳ１０〜Ｓ１４と計測された高負荷領域における継続時間が所定時間を経過しているか否かを判定するステップＳ１５を追加している。ステップＳ１〜Ｓ７の処理は、第１実施形態と同様である。
【００５８】
即ち、ステップＳ１０では、燃料電池スタック１の運転領域が高負荷領域であるか否かが判定され、高負荷領域である場合にはステップＳ１１へ進み、高負荷領域でない場合にはステップＳ２へ進み、高負荷領域から中負荷領域へ変化したか否かが判定されるようにしている。
【００５９】
ステップＳ１１では、高負荷タイマーが作動中か否かが判定され、作動中である場合には今回の処理を終了し、作動中でない場合にはステップＳ１２へ進み高負荷タイマーをセットし、ステップＳ１３において高負荷タイマー作動中のフラグをセットするようにしている。
【００６０】
また、ステップＳ２での高負荷領域から中負荷領域へ変化したか否かが判定の結果、スタック運転領域が高負荷領域から中負荷領域に変化した場合には、ステップＳ１４へ進み、ステップＳ１４で高負荷タイマーを停止させてその高負荷領域の継続時間を記憶させる。その後にステップＳ３へ進み、燃料電池スタックの運転が高負荷領域から中負荷領域に変化したことによる負荷変動タイマーをセットするようにしている。
【００６１】
また、燃料電池スタック１の運転負荷がステップＳ４で中負荷領域から低負荷領域に変化したと判定された場合には、ステップＳ１５へ進み、ステップＳ１４で記憶した高負荷タイマーの継続時間が予め設定した所定時間を越えているか否かが判定され、所定時間以下である場合にはステップＳ７へ進み、高負荷タイマー、高負荷タイマーフラグおよび負荷変動タイマーの夫々の記憶値をリセットして今回の処理を終了するようにしている。また、ステップＳ１５でテップ１４で記憶した高負荷タイマーの継続時間が予め設定した所定時間を越えていると判定された場合には、ステップＳ５へ進み、負荷変動タイマーの記憶値が０時間を超え且つ予め設定した所定時間未満であるか否かが判定されるようにしている。
【００６２】
図９は、負荷変化が生じた場合において、コントローラ６により図８のフローチャートに基づく燃料電池システム制御時における、スタック温度、燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、酸化剤極触媒層温度および酸化剤極電位（ｖｓ．ＲＨＥ）の各変化を示すタイムチャートである。
【００６３】
図９に示す燃料電池スタック１の負荷状態は、外部負荷の運転状況に応じて、時点ｔ１、ｔ６、ｔ１１において低負荷から中負荷に変化し、時点ｔ２、ｔ７、ｔ１２で中負荷から高負荷に変化し、時点ｔ３、ｔ８、ｔ１３で高負荷から中負荷に変化し、時点ｔ４、ｔ９、ｔ１４で中負荷から低負荷に変化されている。燃料電池スタックは、時点ｔ２−ｔ３、ｔ７−ｔ８、ｔ１２−ｔ１３間において高負荷状態、時点ｔ１−ｔ２、ｔ３−ｔ４、ｔ６−ｔ７、ｔ８−ｔ９、ｔ１１−ｔ１２、ｔ１３−ｔ１４の夫々の間で中負荷状態、で運転されている。
【００６４】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、高負荷領域の時間を計測するステップＳ１０〜１４により高負荷領域での運転時間が先ず計測される。図９では、時点ｔ２−ｔ３間のＴ１時間、時点ｔ７−ｔ８間の時間Ｔ２、時点ｔ１２−ｔ１３間の時間Ｔ３が測定され、記憶される。そして、ステップＳ１５（図９では、時点ｔ４、ｔ９、ｔ１４において）において、記憶されている継続時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が予め設定した時間を超えているか否かが判定される。そして、図９では、継続時間Ｔ１とＴ２とは設定時間を越えていると判定され、継続時間Ｔ３は設定時間を超えていないと判定している。
【００６５】
また、時点ｔ３、ｔ８、ｔ１３において、コントローラ６で実行される制御フローチャートのステップＳ２からステップＳ３のタイマーがセットされ、時点ｔ４、ｔ９において、ステップＳ４からステップＳ５のタイマー値（時点ｔ３−ｔ４、ｔ８−ｔ９間の時間）が確認される。
【００６６】
そして、時点ｔ４、ｔ９では、高負荷領域の運転時間が設定時間を越えており、且つ、高負荷状態から中負荷状態を短時間に経由して低負荷状態に移行している負荷変動状態であるため、ステップＳ６により切換弁２４を一定時間（時点ｔ５、ｔ１０まで）だけ切換えて低温酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給されている。低温酸化剤ガスが供給されることにより酸化剤極触媒温度は実線で図示するように一時的に低下される。時点ｔ１４においては、ステップＳ１５で継続時間Ｔ３は設定時間を超えていないと判定しているため、ステップＳ５での時点ｔ１３−ｔ１４のタイマー値の判定が行われることなく、各タイマー値がリセットされる。
【００６７】
以上のように高負荷領域が所定時間以上継続した後の低負荷領域への移行時に、酸化剤極触媒層温度を通常運転中よりも低下させることは、次の理由による。即ち、燃料電池スタック１の高負荷領域での運転が継続される程、低負荷時に比較して酸化剤極が低電位となる時間が長くなり、それだけ触媒表面の還元が進行する。これは、低負荷領域への移行からある程度（多くは数秒から数十秒）の時間経過後に、その時点の酸化剤極電位に対応した定常的な表面状態となることによる。
【００６８】
したがって、高負荷領域が所定時間以上継続した後の低負荷領域への移行時に、酸化剤極触媒の還元の進行状態に応じて、酸化剤極触媒層温度を通常運転中よりも低下させることにより、低負荷領域への移行時の酸化剤極触媒層の低温化制御の効果がより一層向上させることができる。
【００６９】
通常は、セル電圧が０．６［Ｖ］以下となるような場合、酸化剤極電位は０、６５［Ｖ］程度まで低下し、触媒表面は十分迅速に還元されると考えられる。このため単位セル電圧０．６［Ｖ］以下での電圧毎の定常時還元量の差は小さいと思われ、低負荷移行直前までに０．６［Ｖ］以下に保持された時間を実行判断とした方が制御は容易になり、効果も十分に見出せるものと考えることができる。
【００７０】
しかしながら、より精度の高い制御を行なうためには、例えば、図１２に示すように、不活性ガス雰囲気中において、ある触媒電位変動幅毎に還元電流を測定し、夫々所定の還元電流量となるような時間（各矢印）を求めておく。そして、高負荷領域における触媒電位に応じて高負荷タイマーの設定時間を可変としてもよい。なお、図１２中の電位ｃについては、所定の還元電流量に達するまでに非常に長い時間を要しているため、酸化剤極触媒層の低温化制御は行わないようにしてもよい。
【００７１】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（オ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００７２】
（カ）制御手段６により、単位セルの電圧検出手段１６により検出した燃料電池スタック１の運転状態が、高負荷状態を所定時間以上継続した後低負荷状態に移行する場合には、酸化剤極触媒層温度を通常運転中よりも低下させることにより高負荷状態が継続されるほど、酸化剤極触媒の還元がより進行するため、所定時間以上経過した場合に、その後に低負荷に移行する場合の酸化剤極触媒層低温化制御の効果が向上する。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制することが可能となる。
【００７３】
（第３実施形態）
図１３〜図１５は、本発明を適用した燃料電池システムの第３実施形態を示し、図１３は燃料電池システムのシステム図、図１４はコントローラによる制御フローチャート、図１５は燃料電池システムの作動を示すタイムチャートである。本実施形態においては、要求負荷に基づく算出単位セル電圧により制御する構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００７４】
図１３に示す第３実施形態の燃料電池システムにおいては、外部負荷７の出力を制御する、例えば、アクセルペダルの踏込み量を検出する要求負荷検出センサ３０よりの要求負荷信号をコントローラ６に入力するよう構成している。
【００７５】
コントローラ６は前記要求負荷信号に基づき、要求負荷に対応する発電電力を発生する運転条件での燃料電池スタック１の単位セル電圧を算出する。コントローラ６は、この単位セル電圧に基づき図１４に示す制御フローチャートによるルーチンにより、燃料電池システムの高負荷領域から低負荷領域への負荷変動状態を予測演算し、前記要求負荷に対して微少時間後に追従する実際の燃料電池スタック１の運転状態に先行して低温用酸化剤ガスの供給切換弁２４を制御する。
【００７６】
図１４に示す制御フローチャートは、図３に示す第１実施形態における制御フローチャートと類似しているが、ステップＳ１で読込む単位セル電圧を要求負荷センサ３０に基づいて算出した算出単位セル電圧としている。その他の構成は、第１実施形態と同様としている。前記要求負荷に基づいて算出した単位セル電圧は、燃料電池スタック１の単位セル毎に測定して得られる実際の単位セル電圧に対して先行して変化する。
【００７７】
図１５は図１４の制御フローチャートにより制御される燃料電池システムの作動状態を示すタイムチャートによれば、例えば、単位セル電圧が０．６Ｖ以下となるような高負荷運転領域から要求負荷検知手段により単位セル電圧が０．９Ｖ以上となるような低負荷運転領域に移行すると算出された場合（時点ｔ４Ａ）に、切換弁２４を切換え、燃料電池スタック１の運転状態が未だ低負荷領域に到達（時点ｔ４）していない段階において先行して低温用酸化剤ガスの燃料電池スタック１への供給を開始する。したがって、この時点ｔ４Ａより酸化剤極の温度の低下が開始される。
【００７８】
ここでは、低温の酸化剤ガスの供給開始から燃料電池スタック１の発電面である酸化剤極触媒層の冷却が開始されるまでの時間をより短時間とするように、第１実施形態の図６および図７に示すような、低温用酸化剤ガスの供給機構を採用することがより望ましい。
【００７９】
なお、時点ｔ２０〜ｔ２１に示すように、算出された単位セル電圧が０．６Ｖの高負荷領域から０．７５Ｖの中負荷領域となるような運転が行われ、その後０．９Ｖの低負荷領域となる、直接高負荷から低負荷へと短時間に移行しないような場合は、ステップＳ５によりタイマー値が所定値以上であると判定されて、低温用酸化剤ガスの供給を行わないようにしている。
【００８０】
なお、上記実施形態においては、低温用酸化剤ガスとして、低負荷運転領域で通常時に供給している供給量と同等の量を供給するものについて説明したが、図１６に示すように、低負荷運転領域で通常時に供給している供給量（点線参照）に対してなるだけ大きい流量（実線参照）、例えば、２倍程度の低温用酸化剤ガスを供給してもよい。
【００８１】
このように、通常のガス流量よりも大きい流量にて、酸化剤極触媒層の低温化制御を行うことにより、低温用酸化剤ガスが酸化剤極触媒層から奪う熱量を大きくできて触媒層冷却効果を増加（点線→実線参照）させることができる。しかも、低温化時に水蒸気の凝縮が生じるが、この冷却により凝縮した酸化剤ガス流路中の水分をセル発電面外へ移動させる効果が向上する。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制する効果が向上する。なお、事前の実験等により様々な高負荷状態を出発点として十分に凝縮水をセル外へ移動可能な流量を設定しておくことが望ましい。
【００８２】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（オ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００８３】
（キ）外部負荷７に対する要求負荷検知手段３０を備え、前記外部負荷に対する要求負荷が高負荷から低負荷へ移行すると予測される場合には、燃料電池スタック１の少なくとも一方の極に対する供給ガスの温度を、通常運転時よりも低温として供給することにより、低負荷運転領域へ移行するまでに、酸化剤極触媒層温度を低下させる実質的な時間を長期化させることが可能となる。よって、酸化剤極触媒層の低温化制御の効果が向上でき、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制する効果が向上する。
【００８４】
（ク）低温酸化剤ガスは、低負荷運転時に供給する通常温度の酸化剤ガス流量に比較して大きい流量であることにより、通常のガス流量よりも大きい流量にて、酸化剤極触媒層の低温化制御を行うことにより、低温ガスが酸化剤極触媒層から奪う熱量を大きくでき、この冷却により凝縮した酸化剤ガス流路中の水分をセル発電面外へ移動させる効果が向上する。よって、燃料電池運転時の負荷サイクルによる性能低下を抑制する効果が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの第１実施例のシステム構成図。
【図２】同じく酸化剤極の電位の推定手段の構成図。
【図３】コントローラにより実行される制御フローチャート。
【図４】燃料電池システムの作動を示すタイムチャート。
【図５】負荷変動による電気化学反応面積低下と運転温度との関係を示す特性図。
【図６】第２実施例の燃料電池システムの構成図。
【図７】第３実施例の燃料電池システムの構成図。
【図８】第４実施例の燃料電池システムのコントローラによる制御フローチャート。
【図９】第４実施例の燃料電池システムの作動を示すタイムチャート。
【図１０】本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムのコントローラによる制御フローチャート。
【図１１】同じく燃料電池システムの作動を示すタイムチャート。
【図１２】移行後電位と触媒の還元電流の時間変化を示す特性図。
【図１３】本発明の第３実施形態を示す燃料電池システムのシステム図。
【図１４】コントローラによる制御フローチャート。
【図１５】燃料電池システムの作動を示すタイムチャート。
【図１６】燃料電池システムの別の作動を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００８６】
１  燃料電池スタック
２  燃料ガス供給手段
３  循環経路
４  パージ手段
５  空気供給手段、酸化剤ガス供給手段
６  コントローラ、制御手段
７  外部負荷
２２  通常用酸化剤ガス昇温・加湿手段
２３  低温用酸化剤ガス昇温・加湿手段
２４  切換弁
【図１】
2007122897.tif 000003
【図２】
2007122897.tif 000004
【図３】
2007122897.tif 000005
【図４】
2007122897.tif 000006
【図５】
2007122897.tif 000007
【図６】
2007122897.tif 000008
【図７】
2007122897.tif 000009
【図８】
2007122897.tif 000010
【図９】
2007122897.tif 000011
【図１０】
2007122897.tif 000012
【図１１】
2007122897.tif 000013
【図１２】
2007122897.tif 000014
【図１３】
2007122897.tif 000015
【図１４】
2007122897.tif 000016
【図１５】
2007122897.tif 000017
【図１６】
2007122897.tif 000018